CZ20021675A3

CZ20021675A3 - Nosník vysokoteplotní supravodivé rotorové cívky a způsob nesení cívky

Info

Publication number: CZ20021675A3
Application number: CZ20021675A
Authority: CZ
Inventors: Yu Wang; Evangelos Trifon Laskaris; Phani K. Nukala
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-02-12
Also published as: PL202618B1; JP4002783B2; CA2384570A1; CA2384570C; NO20022303D0; KR100871944B1; US20020171325A1; EP1261117A3; CN100492827C; US6787967B2; NO20022303L; EP1261117A2; NO331352B1; KR20020087355A; JP2003070202A; PL353915A1; CN1385952A; MXPA02004835A; BR0201839A

Description

Oblast techniky

Stávající vynález se všeobecně týká supravodivé cívky u synchronního točivého stroje. Zejména pak se předkládaný vynález vztahuje k nosné konstrukci pro supravodivá budicí vinutí v rotoru synchronního stroje.

Synchronní elektrické stroje, které mají vinutí budících cívek zahrnují rotační generátory, rotačními motory a lineární motory, ale nejsou na tuto skupinu omezeny. Tyto stroje obecně zahrnují stator a rotor, jež jsou elektromagneticky spojeny. Rotor může obsahovat rotorové jádro s více póly a jedno nebo více cívkových vinutí, namontovaných na rotorovém jádru. Rotorová jádra mohou obsahovat magneticky permeabilní pevný materiál, jako například rotor se železným jádrem.

V rotorech synchronních elektrických strojů se běžně používá obyčejné měděné vinutí. Elektrický odpor měděného vinutí (třebaže je nízký podle běžných měřítek) je dostatečný pro to, aby přispěl k vydatnému zahřívání rotoru a ke snížení koeficientu účinnosti stroje. V poslední době byla pro rotory vyvinuta supravodivá vinutí cívek. Supravodivá vinutí nemají fakticky žádný odpor a jsou velmi výhodná jako vinutí rotorových cívek.

Rotory se železným jádrem se saturují při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře okolo 2 Tesla. Známé supravodivé rotory využívají konstrukce bez železného jádra, kde v rotoru není žádné železo, aby se dosáhlo ve vzduchové mezeře intenzity magnetického pole 3 Tesla nebo více. Tato vysoká magnetická pole ve vzduchové • · • 4» · »4 · 4 mezeře dávají zvýšené výkonové hustoty elektrických strojů a mají za následek významné snížení váhy a velikosti stroje. Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu.

Velká množství supravodivého drátu zvyšují počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu vinutí supravodivých cívek a rotoru.

• «4 • 4

4·· ···

Vinutí vysokoteplotních supravodivých budících cívek jsou vytvářena ze supravodivých materiálů, které jsou křehké a musí být ochlazovány na nebo pod kritickou teplotu, například 27°K, aby se dosáhla a udržela supravodivost. Supravodivá vinutí mohou být vytvořena z vysokoteplotních supravodivých materiálů, jako je vodič se na základě BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x).

Supravodivé cívky jsou chlazeny pomoci tekutého hélia. Po průtoku vinutím rotoru se ohřáté a použité hélium vrací jako plynné hélium o pokojové teplotě. Užívání tekutého hélia pro kryogenní chlazení vyžaduje nepřetržité opětné zkapalňování vraceného plynného hélia o pokojové teplotě a takové opětné zkapalňování vytváří významné spolehlivostní problémy a vyžaduje významnou pomocnou energii.

Starší způsoby chlazení supravodivých cívek zahrnují chlazení epoxidem impregnované supravodivé cívky cestou pevného vedeni z kryochladiče. Alternativně mohou chladící trubky v rotoru přivádět kapalnou a/nebo plynnou mrazící směs do porézního vinutí supravodivé cívky, která je ponořena do proudu kapalné a/nebo plynné mrazící směsi. Ponorné chlazení vyžaduje, aby celé budící vinutí a konstrukce rotoru byly na kryogenní teplotě. Následkem toho nemůže být v magnetickém obvodu rotoru použito žádné železo vzhledem ke křehkosti železa při kryogenních teplotách.

Pro elektrické stroje je tedy zapotřebí sestava supravodivého budicího vinutí, která nemá nevýhody sestav supravodivého budicího « φ ^J ··....*· .:. ...............

vinutí se vzduchovým jádrem a chlazených kapalinou, například jak je tomu u známých supravodivých rotorů.

Kromě toho jsou vysokoteplotní supravodivé cívky citlivé na degradaci způsobenou vysokými deformacemi v ohybu a tahu. Tyto cívky musí snášet značné odstředivé a jiné akcelerační síly, které namáhají a deformují vinutí cívky. Normální činnost elektrických strojů zahrnuje tisíce spouštěcích a zastavovacích cyklů v průběhu několika let, což vede k nízkocyklovému únavovému namáhání rotoru a uplatnění ohybových momentů, které deformují cívku rotoru. Navíc by mělo být vysokoteplotní supravodivé vinutí rotoru schopno vydržet činnost při 25% překročení rychlosti během vyvažování rotoru při teplotě okolí a také pracovní překročení rychlosti v kryogenních teplotách při generaci energie. Tyto stavy překročení rychlosti podstatně zvyšují zátěž vinutí odstředivou silou oproti normálním pracovním podmínkám.

Supravodivé cívky použité jako budící vinutí rotoru elektrického stroje jsou vystaveny namáhání a deformaci během ochlazování a normální činnosti. Jsou také vystaveny odstředivému zatěžování, ohybovým momentům, přenosu točivého momentu a občasným poruchám. Aby vydržely tyto síly, namáhání, deformace a cyklické zatěžování, musí být vysokoteplotní supravodivé cívky řádně uloženy v rotoru pomocí nosného systému. Tyto nosné systémy drží supravodivé cívky v rotoru a zabezpečují cívky před obrovskými odstředivými silami, danými otáčením rotoru. Tyto nosné systémy a konstrukce by navíc měly vysokoteplotní supravodivé cívky chránit a zajistit, že se cívky nepoškodí, neopotřebují nebo jinak nerozbijí.

Důvodem pro vývoj .vysokoteplotního supravodivého elektrického stroje je udržení strukturální integrity supravodivé budící cívky. Vzhledem ke křehkosti cívky je kritický proud cívky na základě BSCCO citlivý na úroveň mechanické deformace v cívce. Mechanická deformace v supravodivé cívce by tudíž měla být minimalizována, aby se udržela optimální úroveň kritického proudu.

• 4

4

Pro minimalizaci mechanické deformace supravodivé cívky v rotoru synchronního stroje je nutný robustní nosník cívky.

Minimalizací deformace cívky zajišťuje nosný systém cívky, že si cívka udrží způsobilost pro kritický proud. Kromě minimalizace deformace cívky by neměl nosník cívky vést teplo z rotoru do kryogenní cívky.

Vývoj stínění a nosných systémů pro vysokoteplotní supravodivé cívky byl složitý úkol při adaptaci supravodivých cívek do vysokoteplotních supravodivých rotorů. Příklady nosných systémů cívek pro vysokoteplotní supravodivé rotory, které byly navrženy dříve, jsou zveřejněny v U.S. patentech č. 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 a 6,066,906. Tyto nosné systémy cívek ale trpí různými problémy, jako například vysoká cena, složitost a nutnost velkého počtu součástek. Existuje tedy dlouho pociťovaná potřeba vysokoteplotního supravodivého rotoru, který má nosný systém cívky pro supravodivou cívku. Rovněž existuje potřeba realizace nosného systému cívky, který je vytvořen z levných a snadno vyrobitelných součástek.

Podstata vynálezu

Byl vyvinut nosník cívky, který má dělenou svěrku, která svírá konce oválné supravodivé cívky. Svěrka poskytuje cívce pevnost a tuhost a chrání cívku před ohýbáním během odstředivé akcelerace. Vyztužením cívky minimalizuje svěrka deformaci cívky a tím udržuje způsobilost cívky pro kritický proud.

Dělená svěrka je plovoucí uchycení cívky a není připevněna k rotoru. Dělená svěrka tudíž může být udržována v chladné kryogenní teplotě spolu s cívkou. Volně plovoucí svěrka je tepelně izolována od horkých konstrukcí, jako je například jádro rotoru a nákružek koncového « » hřídele. Volně plovoucí svěrka nevyžaduje izolační konstrukce, které by zabraňovaly vedení tepla z rotoru přes svěrku do cívky.

Vysokoteplotní supravodivý rotor může být pro synchronní stroje navrhované od počátku tak, že budou obsahovat supravodivé cívky. Alternativně může vysokoteplotní supravodivý rotor nahradit rotor s měděnými cívkami v existujícím elektrickém stroji, jako je tomu u běžného generátoru. Rotor a jeho supravodivé cívky jsou zde popsány v souvislosti s generátorem, ale rotor s vysokoteplotními supravodivými cívkami je také vhodný pro užívání v jiných synchronních strojích.

Nosný systém cívky, obsahující dělenou svěrku, je užitečný při integrování nosného systému cívky s cívkou a rotorem. Kromě toho nosný systém cívky usnadňuje jednoduchou předběžnou montáž nosného systému cívky, cívky a jádra rotoru ještě před konečnou montáží rotoru. Předběžná montáž snižuje čas sestavení cívky a rotoru, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a redukuje odchylky při montáži cívky.

V prvním provedení je vynálezem rotor pro synchronní stroje, obsahující: jádro rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, přičemž vinutí cívky má koncovou část cívky sousedící s koncem jádra rotoru, a nosník cívky vyztužující koncovou část a tepelně izolovaný od jádra rotoru.

Ve druhém provedení je vynálezem způsob nesení supravodivého vinutí cívky na jádru rotoru synchronního stroje, skládající se z kroků: vyztuženi koncové části vinutí cívky pomocí nosníku konce cívky; montáž vinutí cívky, nosníku konce cívky a jádra rotoru; připojení koncové hřídele rotoru k jádru rotoru; tepelná izolace nosníku cívky od jádra rotoru a hřídeíe.

Ve třetím provedení je vynálezem rotor pro synchronní stroj obsahující; jádro rotoru, které má alespoň jeden konec kolmý na podélnou osu rotoru; alespoň jeden koncový hřídel připojený ke konci • φ • φ jádra rotoru; oválné supravodivé vinutí cívky, které se rozprostírá okolo jádra rotoru a které má koncovou část cívky sousedící s koncem rotoru;

výztuhu nosníku cívky připojenou ke koncové části cívky a tepelně izolovanou od jádra rotoru a koncového hřídele rotoru.

Přehled obrázků na výkresech

Doprovodné nákresy ve spojeni s textem této specifikace popisují provedení vynálezu.

Obr. 1 je schématický bokorys synchronního elektrického stroje, který má supravodivý rotor a stator.

Obr. 2 je perspektivní pohled na příklad oválného supravodivého vinutí cívky.

Obr. 3 je rozložený pohled na součástky vysokoteplotního supravodivého rotoru.

Obr. 4 až 6 jsou perspektivní pohledy, které ukazují proces montáže vysokoteplotního supravodivého rotoru zobrazeného na obr. 3.

Příklady provedení vynálezu

Obr.1 zobrazuje příkladný synchronní generátor 10. který má stator 12 a rotor 14. Rotor 14 obsahuje vinutí cívek, které je uloženo do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Rotor 14 je uložen do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Když se rotor 14 otáčí uvnitř statoru 12. magnetické pole 18 (vyznačeno tečkovanými čarami) generované rotorem a cívkami rotoru se pohybuje/otáčí přes stator a

Ί

9 •

vytváří ve vinutí statorových cívek 19 elektrický proud. Tento proud vystupuje z generátoru jako elektrická energie.

Rotor 14 má obecně podéině jdoucí osu 20 a obecně pevné jádro rotoru 22. Toto pevné jádro 22 má vysokou magnetickou permeabilitu a je obyčejně vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém stroji s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke snížení magnetomotorické síly a tudíž k minimalizaci množství supravodivého drátu, který je potřebný pro vinutí cívky. Například, pevné železné jádro rotoru může být magneticky nasyceno v magnetickém poli vzduchové mezery o síle zhruba 2 Tesla.

Rotor 14 nese alespoň jedno podélně uložené vysokoteplotní supravodivé oválné vinutí 34 cívky (viz. obr. 2). Vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 cívky může být alternativně sedlovitého tvaru nebo může mít nějaký jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní návrh vysokoteplotního supravodivého rotoru. Nosný systém cívky je zde popsán pro supravodivé oválné vinutí cívky. Nosný systém cívky může být upraven pro konfigurace cívky jiné než je oválná cívka, připevněná na pevné jádro rotoru.

Rotor má kolektorový koncový hřídel 24 a hnací koncový hřídel 30. které jsou neseny ložisky 25. Kolektorový koncový hřídel obsahuje kolektorové kroužky 78, které zajišťují vnější elektrický kontakt se supravodivou cívkou prostřednictvím kontaktů 79 cívky. Kolektorový koncový hřídel 24 má také kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenní chladící kapaliny, používané k chlazení supravodivého vinutí cívky v rotoru, Kryogenní přenosová spojka 26 obsahuje stacionární segment spojený se zdrojem kryogenní chladící kapaliny a rotační segment, který zajišťuje chladící kapalinu pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Hnací hřídel 30 rotoru může být poháněn hnací turbinou pomocí spojky 32.

• ·

Obr. 2 ukazuje příkladné vysokoteplotní supravodivé vinutí 24. oválné budící cívky. Supravodivé vinutí 34 budící cívky rotoru obsahují vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá supravodivá cívka obsahuje vysokoteplotní supravodivý vodič, jako například BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xOx) vodiče laminované do pevného závitového kompozitu impregnovaného epoxidem. Řadu BSCCO 2223 drátů je například možné laminovat, spojit dohromady a svinout do pevné cívky impregnované epoxidem.

Supravodivý drát je křehký a lehce poškoditelný. Supravodivá cívka je typická vrstveně vinutá páska, která je impregnovaná epoxidem. Supravodivá páska je navinuta do přesné cívkové formy, aby se dosáhlo malých rozměrových tolerancí. Páska je navinutá dokola ve spirále, aby se vytvořila oválná supravodivá cívka 36.

Rozměry oválné cívky jsou závislé na rozměrech rotorového jádra. Obecně každá supravodivá oválná cívka obklopuje magnetické póly jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí cívky je spojité v celém tvaru cívky. Supravodivé cívky vytváří cestu elektrického proudu bez odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra. Tato cívka má elektrické kontakty 79. které elektricky spojuje cívku s kolektorovými kroužky 78.

Ve vinutí 34 cívky jsou obsaženy kapalinové kanály 38 pro kryogenní chladící kapalinu. Tyto kanály 38 se mohou rozprostírat okolo vnější hrany supravodivé cívky 36. Tyto propouštěcí kanály 38 přivádějí kryogenní chladící kapalinu k cívce a z této cívky odstraňují teplo. Chladící kapalina udržuje ve vinutí supravodivé cívky nízké teploty, např. 27°K, které jsou nutné k vyvolání supravodivých podmínek, včetně neexistence elektrického odporu v cívce. Chladící kanály 38 mají na jednom konci rotorového jádra vstupní kapalinový otvor 39 a výstupní kapalinový otvor 41. Tyto kapalinové (plynové) otvory 39. 41 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kanály, které vedou ke kryogenní přenosové spojce 26, • · ·· 0*0« •

10 • 4 •

00·

Každé vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné cívky má pár obecně rovných postranních částí 40. které jsou rovnoběžné s osou rotoru 20 a pár koncových částí 54. které jsou na osu rotoru kolmé. Postranní části cívky jsou vystaveny největším odstředivým silám. Tyto postranní části jsou tudíž podpírány nosným systémem cívky, který paralyzuje odstředivé síly působící na cívku.

Koncové části 54 vinutí cívky jsou vystaveny značným ohybovým momentům, když rotor zrychluje a zpomaluje během chodu stroje. Koncové části 54 cívky se rozprostírají radiálně přes konec 56 rotoru. Protože se koncová Část rozprostírá radiálně, zrychlení této koncové části cívky se mění v závislosti na její délce. Během zrychlování a zpomalování rotoru tudíž na koncovou část cívky působí ohybové momenty a tyto ohybové momenty mohou být významnější než jakékoli jiné ohybové momenty, působící na postranní části 40 cívky.

Ohýbání supravodivé cívky mechanicky deformuje křehkou supravodivou cívku. Přílišná deformace v supravodivé cívce může snížit schopnost cívky pracovat s kritickým proudem při supravodivých podmínkách. Je tudíž nutný nosník cívky pro koncovou část 54 cívky, který zabrání nadměrnému ohýbání a deformaci v cívce. Pro koncovou část cívky je použita dělená svěrka 58 (obr. 3). Tato dělená svěrka 58 dává koncové části cívky tuhost a tím zabraňuje nadměrnému ohybu a deformaci této koncové části cívky 54.

Obr. 3 ukazuje rozložený pohled na jádro 22 rotoru a na nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Nosný systém cívky obsahuje dělenou svěrku 58 tvořenou dvěmi deskami 60. které mezi sebou svírají koncovou část 54 cívky. Nosný systém cívky navíc zahrnuje nosníky pro dlouhou část 40 cívky. Tyto nosníky dlouhé části 40 cívky obsahují tažné vzpěry 42 spojené s kryty 44 ve tvaru profilu U. Kryty 44 drží a nesou postranní části 40 vinutí 34 cívky v rotoru. I když je na obr. 3 zobrazena jedna tažná vzpěra 42 a kryt 44 ve tvaru profilu U, bude nosný systém cívky obecně zahrnovat řadu tažných vzpěr 42.

• 0 kde každá z nich má na obou koncích nosné kryty cívky. Tažné vzpěry a kryty 44 ve tvaru profilu U předcházejí poškození vinutí cívky během chodu rotoru, podpírají vinutí cívky s ohledem na odstředivé a jiné síty a zajišťují ochranné stínění pro vinutí cívky.

Hlavní zátěž vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé cívky v rotoru s železným jádrem pochází z odstředivého zrychlení během otáčení rotoru a ze zrychlení a zpomalení rotoru během zastavování a spouštění. Pro neutralizaci sil působících na cívku je potřeba účinná nosná konstrukce cívky.

Koncové části 54 vinutí 34 cívky sousedí s opačnými konci 56 jádra rotoru. Dělená svěrka 58 vyztužuje každou z koncových částí cívky, aby lépe umožnila koncovým částem cívky odolávat ohybovým momentům. Dělená svěrka 58 na každém konci 54 cívky obsahuje pár protilehlých desek 60. mezi kterými je vložena koncová část 54 vinutí 34 cívky. Povrch všech desek 60 svěrky obsahuje kanály 116. 118 (obr.6) pro uložení vinutí 34 cívky a chladící kapaliny a elektrických přípojek 39. 41. 79 k vinutí.

Dělená svěrka 58 vyztužuje koncovou část cívky tak, aby minimalizovala ohýbání koncové části. Dělená svěrka 58 snižuje deformace v cívce redukcí ohýbání koncové části cívky. Dělená svěrka může být vytvořena z hliníku, slitin niklu (Inconel) nebo nerezové oceli. Tyto materiály mají také podobný koeficient tepelné roztažnosti jako supravodivý laminovaný BSCCO 2223 drát. Svěrka má tudíž podobné charakteristiky tepelné roztažnosti a smrštitelnosti jako cívka. Rozdělené desky 60 svěrky mohou být k sobě spojeny s koncovou částí cívky, vloženou mezi tyto desky. Alternativně mohou být desky smontovány dohromady pomocí šroubů tak, že mezi deskami zůstane malá mezera pro cívku.

Nosný systém cívky spolu s dělenými svěrkami 58 je s výhodou nemagnetický, aby se zachovala tvárnost za kryogenních teplot, • * · 9 » · · · 9 ·· * * · · · · ·#· ··· 999 ·9· 9» protože feromagnetické materiály v teplotách pod Curieovou přechodovou teplotou křehnou a nemohou být použity pro konstrukce nesoucí zátěž.

Dělená svěrka 58 je obklopena nákružkem 62 koncového hřídele 24. 30 motoru, ale není s ním v kontaktu. Nákružek 62 každého koncového hřídele je připojen ke konci 56 jádra rotoru 22. Přestože je na obr. 3 zobrazen pouze jeden nákružek, nákružky jsou běžně na obou koncových hřídelích a jsou připojeny k oběma koncům jádra. Nákružek 62 je silný disk z nemagnetíckého materiálu, jako je nerezová ocel, stejného nebo podobného materiálu, ze kterého jsou vyrobeny hřídele rotoru. Ve skutečnosti je nákružek 62 část hřídele rotoru. Nákružek 62 má drážku 64 kolmou k ose rotoru a dostatečně širokou pro umístění rozdělené svěrky 58. Horké boční stěny 66 drážky nákružku jsou od chladné rozdělené svěrky 58 odděleny, takže spolu nepřijdou do kontaktu.

Nákružek 62 může obsahovat diskovou oblast 68 s vybráním (která je rozdělena na poloviny drážkou 64). do které zapadne vystupující disková oblast 70 jádra rotoru (vystupující disková část, která má být vložena do protilehlého nákružku, je vidět na opačné straně jádra rotoru). Vložení vystupující diskové oblasti 70 na konci 56 jádra rotoru do diskové oblasti 68 s vybráním zajišťuje uložení jádra 22 rotoru v nákružku 62 a napomáhá při vyrovnávání jádra 22 rotoru a nákružků §2.. Kromě toho může mít nákružek 62 kruhové pole děr 72 pro šrouby procházejících podélně nákružkem 62 okolo okraje nákružku 62. Tyto díry 72 pro šrouby odpovídají závitovým děrám 74 pro šrouby, které procházejí částečně jádrem 22 rotoru. Těmito děrami 72, 74 procházejí šrouby (nejsou zobrazeny) a bezpečně upevňují nákružek k jádru rotoru.

Postranní nosník cívky je nutný podél postranních částí 40 cívky, na které působí největší odstředivé zrychlení. Pro nesení postranních částí 40 cívky se mezi těmito částmi cívky rozepnou tažné vzpěry 42 a připojí se ke krytům 44 ve tvaru profilu U, které svírají protilehlé postranní části cívky. Tažné vzpěry 42 procházejí průchody 46 (otvory) v jádru rotoru, takže tažné vzpěry 42 se mohou rozepnout mezi postranními částmi stejné cívky, nebo mezi sousední cívky.

Průchody 46 jsou obecně válcovité kanály v jádru rotoru, které mají přímé osy. Průměr průchodů je v podstatě konstantní, vyjma konců blízko povrchů rotoru opatřených vybráním. Na koncích se mohou průchody 46 rozšířit do většího průměru, aby se přizpůsobily izolační trubici 52. která zajišťuje kluznou dosedací plochu a tepelnou izolaci mezi jádrem 22 rotoru a tažnou vzpěrou 42. Trubici drží v průchodu jádrem pojistná matice 84.

Osy průchodů 46 jsou obecně v rovině definované oválnou cívkou. Kromě toho jsou osy průchodů 46 kolmé na postranní části cívky, ke kterým jsou připojeny tažné vzpěry 42. procházející průchody 46. Navíc jsou v uvedeném provedení průchody 46 ortogonální k ose rotoru a přetínají ji. Počet průchodů 46 a jejich umístění záleží na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu krytů cívek potřebných k nesení postranních částí cívek.

Tažné vzpěry 42 nesou cívku zejména dobře vzhledem k odstředivým silám, protože vzpěry jdou v podstatě radiálně k vinutí cívky. Každá tažná vzpěra 42 je tyč, která je spojitá v podélném směru a v rovině oválné cívky. Podélná spojitost tažných vzpěr 42 zajišťuje cívkám příčnou tuhost, což je pro rotor dynamicky výhodné. Příčná tuhost navíc dovoluje integraci nosníku cívky s cívkami, takže cívka může být s nosníkem smontována před konečnou montáží rotoru. Toto předběžné sestavení cívky a nosníku cívky zkracuje výrobní cyklus, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a zmenšuje odchylky při montáži cívky. Oválná cívka je nesena řadou tažných členů, které se rozpínají mezi dlouhými stranami cívky. Tažné vzpěry 42 jako nosné členy cívky jsou s cívkou předem smontovány.

» » 4 · 4 * 4

4·4 ··* ··· 4·4 *4 44*4

Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky a konstrukční nosné součásti jsou na kryogenní teplotě. Naproti tomu jádro rotoru je na „horké“ teplotě okolí. Nosníky cívky jsou potenciálními zdroji vedení tepla, což by mohlo dovolit ohřev vysokoteplotních supravodivých cívek z rotoru. Rotor se během chodu ohřívá. Protože cívky jsou udržovány v podmínkách přechlazení, je nutné zamezit přivádění tepla do cívek. Vzpěry procházejí otvory, například průchody v rotoru, ale nejsou s rotorem v kontaktu, což zamezuje vedení tepla z rotoru do tažných vzpěr a cívek.

Pro snížení pronikání tepla do cívky je nosník cívky minimalizován, aby se snížilo vedení tepla přes nosník ze zdrojů tepla, jako je jádro rotoru. Obecně existují dvě kategorie nosníků pro supravodivé vinutí: (i) „teplé“ nosníky a (ii) „studené“ nosníky. U teplých nosníků je nosná konstrukce tepelně izolována od chlazeného supravodivého vinutí. U teplých nosníků je většina mechanického zatížení cívky nesena konstrukčními členy rozpínajícími se od studených členů k teplým členům.

U studeného nosného systému je nosný systém na nebo blízko kryogenní teploty supravodivých cívek. U studených nosníků je většina mechanického zatížení supravodivé cívky nesena konstrukčními členy, které jsou na nebo blízko kryogenní teploty. Zde uvedený příklad nosného systému cívky je studený nosník, kde jsou tažné vzpěry a přináležející kryty, které spojuji tažné vzpěry s vinutím supravodivých cívek, udržovány na nebo blízko kryogenní teploty. Protože jsou nosné členy studené, jsou tyto členy tepelně izolovány, například bezdotykovými průchody jádrem rotoru, od jiných „horkých“ součástí rotoru.

Spojovací kolík 80 připojuje kryt 44 ke konci tažné vzpěry 42. Každý kryt 44 je držák tvaru U mající ramena pro připojení k tažné vzpěře 42 a kanál pro uložení vinutí 34 cívky. Kryt 44 ve tvaru profilu U dovoluje přesnou a pohodlnou montáž nosného systému pro cívku.

Podél strany vinutí 34 cívky může být umístěna rada krytů 44 vedle sebe. Kryty cívky společně rozkládají síly, které působí na cívku, například odstředivé síly, v podstatě přes celé postranní části 40 každé cívky.

Kryty 44 ve tvaru profilu U zabraňují postranním částem 40 cívek v nadměrném pružení a ohýbání způsobeném odstředivými silami. Nosníky cívky nebrání cívce v podélném tepelném roztahování a smršťování, které vzniká během běžné činnosti plynové turbíny se spouštěním a zastavováním. Tepelné roztahování je primárně orientováno zejména v podélném směru postranních částí. Postranní části cívky se tedy mírně podélně posouvají vzhledem ke krytu 44 cívky a tažným vzpěrám 42.

Přenos odstředivého zatížení od konstrukce cívky do nosné vzpěry 42 se děje přes kryt 44 ve tvaru profilu U, který je umístěn kolem vnějšího povrchu cívky a postranních přímých částí a je připojen spojovacími kolíky 80 ke konci s velkým průměrem tažné vzpěry 42. Kryty 44 ve tvaru U jsou vytvořeny z lehkého, vysoce pevného materiálu, který je při kryogenních teplotách tvárný. Typické materiály pro kryty ve tvaru profilu U jsou hliník, lnconel nebo slitiny titanu, které jsou nemagnetické. Tvar krytu 44 ve tvaru U může být optimalizován pro dosažení nízké váhy.

Spojovací kolík 80 prochází otvory v krytu 44 cívky a tažné vzpěře 42. Tento kolík může být dutý, aby byl lehký, Na koncích spojovacího kolíku 80 jsou našroubovány nebo připojeny pojistné matice {nejsou zobrazeny), aby bezpečně upevnily kryt 44 ve tvaru U a zabránily stranám krytu 44 v rozevírání při zátěži. Spojovací kolík 80 může být vytvořen z vysoce pevných slitin niklu (lnconel) nebo titanu. Tažné vzpěry 42 jsou vyrobeny s konci o větším průměru, které jsou obrobeny se dvěma plochými povrchy 86 na koncích, které odpovídají U-krytu a šířce cívky. Když jsou tažná vzpěra 42, cívka a kryt 44 sestaveny dohromady, dosedají ploché konce 86 tažných vzpěr 42 na tupo na vnitřní povrch vysokoteplotních supravodivých cívek. Tato sestava zmenšuje koncentraci namáhání v otvoru v tažné vzpěře 42. kterým prochází kolík 80.

Nosný systém cívky sestávající z tažných vzpěr 42. krytů 44 ve tvaru profilu U a dělené svěrky 58 je možné sestavit s vinutím 34 vysokoteplotní supravodivé cívky při montáži na jádro 22 rotoru. Tažné vzpěry, kanálové kryty a dělená svěrka vytvářejí konstrukci, která je dostatečná pro to, aby nesla vinutí cívek a držela je na místě vzhledem k jádru rotoru.

Každá tažná vzpěra 42 prochází jádrem rotoru a může procházet ortogonálně přes osu 20 rotoru. Průchody 46 jádrem rotoru vytvářejí kanál, kterým jsou tažné vzpěry vedeny. Průměr průchodů je dostatečně velký, aby zamezil kontaktu horkých stěn rotoru se studenými tažnými vzpěrami. Zamezení tohoto kontaktu zlepšuje izolaci mezi tažnými vzpěrami a jádrem rotoru.

Jádro rotoru 22 je běžně vytvořeno z magnetického materiálu jako je železo, zatímco koncové hřídele rotoru jsou běžně vytvořeny z nemagnetického materiálu, jako je nerezavějící ocel. Jádro rotoru a koncové hřídele jsou obvykle samostatné součásti, které jsou sestaveny a bezpečně spojeny dohromady sešroubováním nebo svařením.

Železné jádro rotoru 22 má obecně válcový tvar 50 vhodný pro otáčení v dutině rotoru 16 statoru 12, Pro umístění vinutí cívky má jádro rotoru povrchy 48 s vybráním, jako jsou ploché nebo trojúhelníkové oblasti nebo drážky. Tyto povrchy 48 jsou vytvořeny v zakřiveném povrchu válcového jádra a táhnou se podélně přes jádro rotoru. Vinutí cívky 34 je namontováno na rotoru přilehle s vybranými povrchy 48. Cívky se obvykle táhnou podél vnějšího povrchu vybrané oblasti a kolem konců jádra rotoru. Vinutí cívek je umístěno v površích 48 s vybráním jádra rotoru. Tvar vybrané oblasti odpovídá vinutí cívky. Pokud má například vinutí cívky sedlovitý nebo nějaký jiný tvar, vybrání

« «	> φ	··	• »
b	v	φ	•	*
	» ·	Φ	•	• fc	t
•	•		*	•
« 1 *		···	»et	« *

v jádru rotoru budou upravena tak, aby se do nich umístilo vinutí daného tvaru.

Do povrchů 48 s vybráním je umístěno vinutí cívky tak, že vnější povrch vinutí cívky opisuje obálku, definovanou otáčením rotoru. Vnější zakřivené povrchy 50 jádra rotoru vymezují při otáčení válcovou obálku. Tato rotační obálka rotoru má v podstatě stejný průměr jako dutina 16 rotoru (viz. obr. 1) ve statoru.

Mezera mezi obálkou rotoru a dutinou statoru 16 je relativně malá, jak je požadováno pouze pro ventilačního chlazení s nuceným oběhem statoru, jelikož rotor ventilační chlazení nepožaduje. Je žádoucí, aby byla minimalizována mechanická vůle mezi rotorem a statorem, aby vzrostla elektromagnetická vazba mezi vinutím cívek rotoru a vinutím statoru. Navíc je vinutí cívky rotoru s výhodou umístěno tak, že jde po celé obálce vytvořené rotorem a je tudíž odděleno od statoru pouze mezerou mechanické vůle mezi rotorem a statorem.

Jádro 22 rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění (není zobrazeno), které chrání vinutí 34 supravodivé cívky před vířivými proudy a jinými elektrickými proudy obklopujícími rotor a tvoří vakuovou obálku, jak je požadováno pro udržení tvrdého vakua kolem kryogenních součástí rotoru. Válcové stínění může být vytvořeno z vysoce vodivého materiálu jako je měděná slitina nebo hliník.

Jádro 22 rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění, které chrání vinutí 34 supravodivé cívky před vířivými proudy a jinými elektrickými proudy obklopujícími rotor a tvoří vakuovou obálku, jak je požadováno pro udržení tvrdého vakua kolem kryogenních součástí rotoru. Válcové stínění může být vytvořeno z vysoce vodivého materiálu jako je měděná slitina nebo hliník.

* · · · · 4 · ··· «·· 4·· ·4 ···♦

Vinutí 34 supravodivé cívky je udržováno ve vakuu. Vakuum může být tvořeno stíněním, které může zahrnovat válcovou vrstvu nerezové oceli, která vytváří vakuovou nádobu kolem cívky a jádra cívky.

Obr. 4, 5 a 6 ukazují schematicky proces montáže nosné konstrukce cívky a vinutí cívky v rotoru. Jak je vidět na obr. 4, předtím než je jádro rotoru smontováno s nákružky a jinými součástmi rotoru, vloží se do každého průchodu 46 procházejího jádrem rotoru tažné vzpěry 42. Na každý konec každé tažné vzpěry se do rozšířeného konce každého průchodu 46 umístí izolační trubice 52. Tato izolační trubice 52 je zajištěna na svém místě pomocí přidržovací pojistné matice 84. Jakmile jsou do v jádře 22 rotoru namontovány tažné vzpěry, je k umístění na jádro připraveno vinutí cívky.

Jak je vidět na obr. 5, supravodivá cívka 36 se umístí na jádro rotoru tak, že ploché konce 86 tažných vzpěr 42 dosedají na vnitřní povrch postranních částí 40 supravodivé cívky. Když se vinutí cívky umístí pres konce tažné vzpěry, přiloží se přes supravodivou cívku kryty 44 ve tvaru profilu U cívky. Kryty 44 ve tvaru profilu U jsou bezpečně upevněny ke koncům tažných vzpěr vložením spojovacích kolíků 80 do otvorů 104 a 108 v tažné vzpěře a krytu 44 ve tvaru profilu U.

Kryty 44 ve tvaru profilu U mají podél svého horního vnitřního povrchu drážku, do které zapadne chladící potrubí 38 a která drží toto potrubí vůči cívce 36.

Množina krytů cívek efektivně drží cívku na místě, aniž by byly ovlivněny odstředivými silami. Přestože jsou kryty cívek zobrazeny tak, že jsou k sobě velmi blízko, musí být pouze tak blízko, aby se předešio degradaci cívky, způsobené velkými deformacemi ohybem a tahem během odstředivého zatěžování, přenosu točivého momentu a občasných poruchových stavů.

Kryty ve tvaru profilu U cívek a tažné vzpěry mohou být smontovány s vinutím cívky předtím, než se provádí montáž jádra rotoru a cívek s nákružkem a jinými součástmi rotoru. Podobně mohou být jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky sestaveny jako jednotka, před montáží jiných součástí rotoru a synchronního stroje.

Obr. 6 ukazuje montáž dělené svěrky 58, která je tvořena deskami 60 svěrky. Desky 60 svěrky mezi sebou svírají koncové části 54 vinutí cívky. Dělená svěrka zajišťuje nosnou konstrukci pro konce vinutí cívky 34. Desky 60 dělené svěrky mají na svých vnitřních površích kanály 116. do kterých se uloží vinutí cívky. Podobně obsahují desky kanály 118 pro vstupní/výstupní vedení 39, 49 pro plyny a pro vstupní a výstupní elektrické připojení 79 k cívce. Jakmile jsou smontovány nosníky cívky, cívka, nákružek a jádro rotoru, je tato jednotka připravena pro montáž do rotoru a synchronního stroje.

Zatímco byl vynález popsán v souvislosti s tím, co je nyní považováno za nejvíce praktické a upřednostňované provedení, je třeba chápat, že tento vynález není omezen na zde zveřejněné provedení, ale naopak zahrnuje všechna provedení v duchu přiložených nároků.

Claims

1. Rotor v synchronním stroji vyznačující se tím, že obsahuje jádro rotoru; vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, kde toto vinutí cívky má koncovou část cívky sousedící s koncem jádra rotoru; a nosník cívky vyztužující koncovou část cívky a tepelné izolovaný od jádra rotoru.

2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky je dělená svěrka.

3. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky obsahuje pár desek, mezi kterými je vložena koncová část cívky.

4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje kryogenní spojku zajišťující chladící kapalinu pro vinutí cívky, přičemž nosník cívky je chlazen vedením z vinutí cívky.

5. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje koncový hřídel rotoru, který má drážku do které zapadne koncová část cívky a nosník cívky, přičemž tento koncový hřídel je od nosníku cívky tepelně izolován.

6. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky vyztužuje celou délku koncové části cívky.

7. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky je příčný k ose jádra rotoru.

8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje druhou koncovou část cívky sousedící s druhým koncem jádra rotoru a druhý nosník cívky vyztužující tuto druhou koncovou část cívky.

9 9 · · * * * «·« «·· ««* ··· ·· ····

9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky dále obsahuje postranní nosníky připojené k dlouhé postranní části cívky.

10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosník cívky dále obsahuje alespoň jednu tažnou vzpěru procházející příčně jádrem rotoru a kryty cívky připevněné k protilehlým koncům tažné vzpěry, kde je každý kryt cívky připevněn k opačné dlouhé postranní části cívky.

11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra prochází průchodem v jádru rotoru.

12. Způsob nesení vinutí supravodivé cívky na jádru rotoru synchronního stroje vyznačující se tím, že sestává z kroků: vyztužení koncové části vinutí cívky nosníkem konce cívky; montáž vinutí cívky, nosníku konce cívky a jádra rotoru; připevnění koncového hřídele rotoru k jádru rotoru; tepelná izolace nosníku cívky od jádra rotoru a hřídele.

13. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že koncová část je vyztužena dělenou svěrkou.

14. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že krok montáže obsahuje vložení koncové části cívky a nosníku cívky do drážky v koncovém hřídeli rotoru.

15. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že krok vyztužení obsahuje přiložení desek na protilehlé povrchy koncové části.

16. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že dále zahrnuje kryogenní chlazení cívky a chlazení nosníku cívky tepelným přenosem mezi cívkou a nosníkem cívky.

17. Rotor pro synchronní stroj vyznačující se tím, že obsahuje: jádro rotoru mající alespoň jeden konec jádra rotoru kolmý k podélné ose

4 4

4 4 · · · · · »·· 44« «44 *·· *· ···· rotoru; alespoň jeden koncový hřídel připojený ke konci jádra rotoru; vinutí oválné supravodivé cívky rozprostírající se kolem jádra rotoru, které má koncovou část cívky sousedící s koncem jádra rotoru; nosnou výztuhu cívky připevněnou ke koncové části cívky a tepelně izolovanou od jádra rotoru a koncového hřídele rotoru.

18. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že nosná výztuha cívky je dělená svěrka.

19. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že nosná výztuha cívky obsahuje pár desek, mezi které je vložena koncová část cívky.

20. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dáíe obsahuje kryogenní spojku zajišťující chladící kapalinu pro vinutí cívky, přičemž nosník cívky je chlazen vedením z vinutí cívky.

21. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že koncový hřídel rotoru má drážku do které zapadne koncová část cívky a nosník cívky, přičemž tento koncový hřídel je od nosníku cívky tepelně izolován.

22. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že nosná výztuha cívky pokrývá celou délku koncové části cívky.

23. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že nosná výztuha cívky je kolmá na osu jádra rotoru.

24. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dále obsahuje druhou koncovou část cívky sousedící s druhým koncem jádra rotoru a druhou nosnou výztuhu cívky připevněnou ke druhé koncové části cívky.

25. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dále obsahuje nosník postranní části cívky připevněný k dlouhé postranní části cívky.

4 «4« • 4 *

4 4 * ·

4 4 ·

44 444«

26. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dále obsahuje alespoň jednu tažnou vzpěru procházející příčně jádrem rotoru a kryty cívky připevněné k protilehlým koncům tažné vzpěry, kde je každý kryt cívky připevněn k opačné dlouhé postranní části cívky.

27. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že tažná vzpěra prochází průchodem v jádru rotoru.